一個對溫度不敏感的高增益運算放大器設計

摘 要:功率放大器是大功率器件，其自身會消耗大部分的功耗，并導致功率放大器芯片的溫度在一個很大的范圍內變化，因此功率放大器的控制電路需要對環境溫度的變化不敏感。針對這一要求，設計出一個對溫度不敏感的全差分CMOS運算放大器，該運算放大器采用TSMC 0.18 μm工藝，選用折疊式共源共柵、寬擺幅偏置電路結構。在負載電容為10 pF條件下，最大直流增益達到115dBm，相位裕度為70°;在整個溫度范圍內(-40~+125 ℃)運算放大器的增益變化僅為1 dBm，相位裕度僅變化5°，滿足設計要求。

關鍵詞:全差分運算放大器; 負載電容; 增益; 相位裕度

中圖分類號:TN710 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0004-03

Design of Temperature-insensitive and High Gain Operational Amplifier

LUO Zhi-cong1 ， HUANG Shi-zhen2

(1.Mechanical and Electrical Engineering College， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China;

2.Fujian Key Laboratory of Microelectronics Integrated Circuits， Fuzhou University， Fuzhou 350002， China)

Abstract: The power amplifier is a high-power device， which can consume most of the power， and change the temperature of the chip in a large extent， therefore， the output power control circuit of PA should be insensitive to the change of ambient temperature. A temperature-insensitive and fully differential CMOS operational amplifier is designed based on TSMC 0.18μm process， and it consists of folding cascode opamp and wide-swing bias circuit. The maximum DC gain up to 115dBm and the phase margin is 70 degrees under the conditions that load capacitance is 10p; the gain variation is only 1dBm and the phase margin is only 5 degrees in the entire temperature range (-40~125 ℃).

Keywords: fully differential operational amplifier; load capacitance; gain; phase margin

0 引 言

運算放大器的用途非常廣泛，是許多模擬系統和混合信號系統中的一個完整部分，大量具有不同復雜程度的運算放大器被用來實現各種功能，從直流偏置到高速放大或者濾波等。在很多功率電路中，對運算放大器的溫度特性要求很高。例如，應用于功率放大器控制電路中的運算放大器，由于功率放大器是大功率器件，自身消耗的功率大，將導致功率放大器芯片的溫度變化很大。因此要求控制電路中運算放大器的增益、穩定性等受溫度影響要小[1-2]。

1 運算放大器的結構選擇

運算放大器有很多種結構，按照不同的標準有不同的分類。從電路結構來看，有套筒式共源共柵、折疊式共源共柵、增益提高式和一般的兩級運算放大器等。

圖1給出3種運算放大器的結構，分別為兩級放大器、折疊式兩級套筒OTA、折疊式兩級聯OTA。比較以上三種結構，發現折疊式的共源共柵OTA輸入擺幅最大，輸入共模電平容易選取，而且輸入和輸出可以短接[3]。正是由于這些原因，折疊式共源共柵運算放大器更加廣泛。同時考慮到不同電壓溫度條件下增益要達到110 dB，因此采用兩級運算放大器。

2 折疊式共源共柵全差分運算放大器的原理

共源共柵結構的設計思路是將輸入電壓轉化成電流，然后將他作為共源共柵級的輸入，共源共柵級電流的變化再轉化為輸出電壓的變化。一個完整的全差分折疊式共源共柵全差分運算放大器包括偏置電路、共模反饋電路和主體電路3個部分。

2.1 偏置電路分析

本文選用寬擺幅偏置電路，如圖2所示，它的主要單元是低壓共源共柵電流鏡[4]，由PMOS和NMOS電流鏡組成。首先，分析該電路的PMOS寬擺幅電流鏡，該電流鏡由M4~M8組成，假設取M5，M6的寬長比一樣，那么M5，M6的過驅動電壓也是一樣的，要使他們都飽和，則M5漏端電壓至少為2倍的過驅動電壓。M5的主要作用是降低M6的漏源電壓，這樣M6能更好地匹配M4的電流。調節M5的尺寸，可以控制M6的漏源電壓，一般M5的尺寸小于M6尺寸的1/4，取M5=1.5 μm。同時為了減小短溝道效應，M4，M5柵長要稍微長點，取L=1 μm。NMOS電流鏡也是這樣的。合理調節電路參數可以使系統的增益、相位裕度等受溫度影響很小。

圖1 基本的放大器結構

圖2 寬擺幅偏置電路

2.2 CMFB電路

CMFB的實現有連續時間方法和開關電容方法[5-6]。本文采用連續時間方法，如圖3所示，共模采樣端輸出共模電平通過2個相等的電阻R采樣。這種結構能確保在一個很大電壓范圍內會有全平衡輸出[7]。Vref是共模參考電平，這個電路和M13~M17共同構成一個閉環負反饋回路，使共源輸出級的共模電平近似等于Vref。由于這兩級電路的內部都是低阻抗節點，因此可達到較大的開環單位增益帶寬。一般情況下，只要共模輸入信號的帶寬小于CMFB的單位增益帶寬就可保證電路共模電平穩定。

2.3 主體電路

本文采用帶共源輸出緩沖的全差分折疊式共源共柵結構，如圖4所示，它的主要優點就是較高的增益，輸入共模范圍較大[8-10]。

圖3 CMFB電路

圖4 主體電路

2.4 直流增益分析

圖4所示的運算放大器存在兩級:折疊式共源共柵級增大直流增益和共源放大器。

第一級增益:

A1=gM1[ gM7rO7(rO9/ /rO1)/ /gM5rO3rO5]

第二級增益:

A2=gM13(rO13/ /rO14)

整個運算放大器的增益:A=A1A2

因此，要提高運算放大器的增益，主要是提高相應的MOS管跨導和輸出阻抗[7]。同時合理地調節電路參數可以使增益、相位裕度等受溫度影響很小。

3 折疊共源共柵全差分運算放大器的版圖設計

應該采用更加合理的版圖布局，更加統一的連線和過孔連接等，使對稱電路的寄生效應一致。在全差分運算放大器版圖設計時，尤其要注意版圖的對稱。

4 仿真結果與分析

基于TSMC 0.18 μm工藝，版圖設計如圖5所示。對版圖提取寄生電阻、電容，采用HSpice，Cadence軟件進行模擬仿真。

圖5 運算放大器的版圖

開環增益的小信號如圖6，圖7所示。

圖6 頻率響應隨溫度的變化

其中圖6為頻率響應隨溫度變化的曲線。從圖6可以看出，最大增益可達115 dBm，相位裕度為70°，在整個溫度范圍內(-40~+125 ℃)增益變化僅為1 dBm，相位裕度僅變化5°。圖7中電源電壓從2.7 V變化到3.3 V范圍內，該結構的運算放大器受電源電壓影響很小，完全滿足實際應用。

5 結 語

本文針對藍牙功率放大器控制電路的要求，設計了 一個對溫度不敏感的運算放大器。采用寬擺幅的偏置電路、選取合理的電路參數等，消除了溫度和電壓對運算放大器性能的影響。

圖7 頻率響應隨電源電壓的變化

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